CN105074402A - 高分辨率的基于mems的阿达玛光谱法 - Google Patents
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Abstract
一种光谱仪，包括：准直元件，该准直元件被配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；聚焦元件，该聚焦元件用于接收来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光并且将该光的波长聚焦到空间光调制器上；该空间光调制器被配置成用于将这些波长选择性地引导到用于检测的检测器上。提供了一种使用方法和制造方法。
Description
发明背景
1.技术领域
在此所披露的发明涉及一种手持式光谱仪，该光谱仪表现出基于MEMS的阿达玛光谱仪的有益方面，同时提高了波长分辨率并且将波长范围扩展超出一个倍频程。
2.相关技术的说明
当前的衍射型基于MEMS的阿达玛光谱仪具有超越传统扫描光栅光谱仪的优点。在标题为“提供手持式光谱仪的设备和方法(ApparatusandMethodProvidingaHand-HeldSpectrometer)”的美国专利号7,791,027中提供了一个实例。该专利披露了IR光谱仪，该光谱仪包括被适配为照射样品的光源、被适配为光谱地色散照射样品的光的光栅、被适配为由控制器静电致动来控制光衍射的MEMS阵列、被配置成用于检测光的检测器、以及被适配为向该光源和MEMS阵列供电的电源，其中该控制器被适配为控制MEMS阵列以管理IR光谱仪的功耗。在一个实施例中，该IR光谱仪包括壳体，其尺寸确定为并且安排为在手持装置中容纳该光源、光栅、MEMS阵列、控制器、检测器、以及电源。
这种类型的光谱仪表现出来自使用阿达玛技术的改善的信噪比益处、使用单一元件检测器、以及优异的抗冲击性。然而，这些光谱仪具有有限的分辨率和波长范围，使得所希望的是当波长范围或分辨率要求改变时具有不同的模式。总体而言，波长分辨率是基于MEMS的芯片的能力。该波长范围受使用单级衍射光栅限制为一个倍频程，意味着最长波长与最短波长之比是小于或等于二。
因此，所需要的是提供手持式光谱仪的方法和装置，该手持式光谱仪表现出基于MEMS的阿达玛光谱仪的有益方面，同时提高了波长分辨率并且将波长扩展超出一个倍频程。
发明内容
在一个实施例中，披露了一种光谱仪。该光谱仪包括：准直元件，该准直元件被配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；聚焦元件，该聚焦元件用于接收来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光并且将该光的波长聚焦到空间光调制器上；该空间光调制器被配置成用于将这些波长选择性地引导到用于检测的检测器上。
在另一个实施例中，披露了一种用于进行样品的光谱分析的方法。该方法包括：选择光谱仪，该光谱仪包括准直元件，该准直元件被配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；聚焦元件，该聚焦元件用于接收来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光并且将该光的波长聚焦到空间光调制器上；该空间光调制器被配置成用于将这些波长选择性地引导到用于检测的检测器上；用该光谱仪检测来自样品的光；并且分析该光以提供该光谱分析。
在另一个实施例中，披露了一种用于制造光谱仪的方法。该方法包括：将准直元件配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；将聚焦元件配置成用于将来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光的波长聚焦到空间光调制器上，该空间光调制器将这些波长引导到用于检测的检测器上；并且将该检测器安排成用于接收这些波长。
附图简要说明
本发明的这些特征以及优点从以下结合附图进行的描述中是清楚的，在以下附图：
图1是描绘了根据在此传授内容的光谱仪的部件的示意图；并且
图2是提供了使用在此披露的光谱仪进行样品分析的示例性方法的流程图。
发明详细说明
在此披露了使用手持式光谱仪进行光谱法的方法和装置。根据此处传授内容的手持式光谱仪表现出超过一个倍频程范围的优异波长分辨率。在此所披露的技术结合了使用可商购的MEMS芯片、DLP反射镜阵列、和中阶梯光栅。在此披露的技术还可用于固定(例如，实验室类型的)光谱系统中。在图1中提供了示例性实施例的方面。
首先，并且为了提供一些背景，可参考标题为“提供手持式光谱仪的设备和方法(ApparatusandMethodProvidingaHand-HeldSpectrometer)”的美国专利号7,791,027，其披露内容通过引用以其全文结合在此，除了在任何内容与本披露内容冲突的情况下，本披露的主题应该优先于在参考文献中包含的主题。
现在参见图1，展示了光谱仪的示例性实施例的方面。在这个实例中，光谱仪10包括光1行进穿过的入口狭缝11。透过狭缝11的光1通过对样品(未示出)进行照射而产生。该样品可以是对其希望光谱分析的任何类型的样品。在一些实施例中，光谱仪10包括用于照射该样品的照射源(即，至少一个灯)。
将通过狭缝11进入该光谱仪的光1引导至第一反射镜12(反射镜A)并且由第一反射镜12准直。准直的光1通过低色散光栅或棱镜或两者的组合或其他类似装置(这里作为交叉-色散元件14示出)交叉-色散。将交叉-色散光1引导至第一中阶梯光栅，这里作为中阶梯光栅A18示出。然后将光1由第二反射镜20(反射镜B)聚焦到MEMS反射镜阵列21上。MEMS反射镜阵列21用来根据阿达玛算法保持光1的一些部分并且从系统中去除光1的其他部分。在一个实施例中，反射镜阵列21将通常具有每像素一个倾斜反射镜，其中每个反射镜可以是独立地致动至两个位置之一。21被配置成使得对于任何像素反射镜的一个位置，光1在一个方向上被反射以便在该系统中传输，而对于每个倾斜镜的第二个位置，该光被反射出该系统或被阻挡。由MEMS镜阵列21传输的光1然后使用第二反射镜20(反射镜B)和额外的反射镜(未示出)中的至少一个进行聚焦。光1然后在反方向上行进穿过该系统，由第二反射镜20再聚焦并且行进到第一中阶梯光栅18(光栅A)和第二中阶梯光栅19(光栅B)中的至少一个以及交叉-色散元件14和额外的交叉-色散元件(未示出)中的至少一个。这将光1组合成包含所有波长的单光束。将光1然后通过例如使用透镜15和滤光器16聚焦到单一元件检测器17上。有利地并且不同于单级光栅，中阶梯光栅18，19以多个级次同时起作用，由此克服了在现有技术中固有的一个倍频程波长范围的限制。
应该指出的是，在前述的实施例中，第一反射镜12可以被广泛称为“准直元件”。也就是说，在此背景下，准直元件可以包括用于使光1适当地准直的任何光学设备。准直元件的非限制性实例包括透镜、菲涅耳透镜、反射镜、衍射元件和其他此类部件或已知用于提供准直的部件的组合。
同样应该指出的是，在前述的实施例中，第二反射镜20可以被广泛称为“聚焦元件”。也就是说，在此背景下，聚焦元件可以包括用于适当地聚焦光1的任何光学设备。聚焦元件的非限制性实例包括透镜、反射镜和其他此类部件或已知用于提供聚焦的部件的组合。
同样，还应当指出在前述的实施例中，MEMS反射镜阵列21可以被广泛称为“空间光调制器”。也就是说，在此背景下，空间光调制器可以包括用于适当地调节光1的任何光学设备。总体而言，这提供了在二维像素阵列中调节光1的强度。在这方面，MEMS反射镜阵列21还可以被称为“像素化的强度调节器”。空间光调制器的非限制性实例包括LCD板、MEMS反射镜阵列和其他此类部件或已知用于提供像素化的强度调节的部件的组合。
此外，应该指出的是，交叉-色散元件和聚焦元件能够以与所展示的相反顺序设置。在一些实施例中，该空间光调制器被配置成通过反向穿过在该聚焦元件中的至少一个中阶梯光栅的行进路径而将波长引导到检测器。
根据此处传授内容的光谱仪10的波长范围和分辨率大大提高超过现有技术。例如，现有技术阿达玛光谱装置提供了约1600nm至约2400nm波长范围，具有8nm的像素分辨率。相比之下，根据此处传授内容的光谱仪10提供了约900nm至约2500nm的检测范围，具有0.5nm的像素分辨率。光谱仪10可以在宽灵敏度范围内运行，例如对于基于InGaAs的检测器整个范围。
在阿达玛光谱仪中，信噪比(SNR)优点是与波长像素数目一半的平方根成比例的。传统的扫描光栅光谱仪一次收集一个波长像素的数据。在阿达玛光谱仪的现有技术实施例中，如在结合在此的现有技术文献中披露的，存在100个像素，因此优势是约七倍。然而，对于根据在此传授内容的光谱仪10的实施例，信噪比可被显著改善。例如，SNR改进可通过认为波长像素的数目是近似于中阶梯衍射级的数目乘以在一行中的反射镜像素的数目而计算。因此，在一些实施例中，这是约80级次并且400像素，从而产生约125的SNR改进。
应当指出的是如果应用不要求0.5nm高分辨率，则狭缝11可以打开，因此使得更多光1进入光谱仪10以及改进该SNR。该范围仍可以通过使用第二检测器进一步扩展，例如硅检测器将范围扩展一直穿过可见波长，或HgCdTe检测器将范围扩展到中红外区内。为了容纳两个或更多个检测器，滤光器16可以恰在该一个或多个检测器17之前使用以便将适当的波长引导至各个相应的检测器。也就是说，滤光器16可以使特定的波长组选择性地通过或反射。
在一些实施例中，光谱仪10包括可调机构。例如，光谱仪10可以包括可调狭缝11，如可以通过用户接口操作电子地(例如，机电地)调节的可调狭缝。以这种方式，用户可以改变多个方面，如分辨率、信号-噪声比和其他此类性能指标。
有利地，光谱仪10可以使用可商购的部件制造。例如，MEMS(即，“微机电系统”)反射镜阵列21的合适的实施例可以从德克萨斯州达拉斯的德克萨斯州仪器公司(TexasInstrumentsofDallas,Texas)获得。示例性部件在DLP芯片组产品系列中提供。此外，中阶梯光栅18、19的实施例可以从纽约罗契斯特市的理波理查森光栅公司(NewportRichardsonGratingsofRochesterNewYork)获得。
在一些实施例中，光谱仪10包括用于光谱分析的附加部件。例如，检测器17可以与提供光谱分析的处理器通信。该处理器可处理软件用于分析由检测器接收的波长。波长可以与例如在存储器内存储的数据相关联。在存储器内存储的数据可以使波长与作为样品的多个方面的特定性质相关联。波长例如可以指示至少一种物质的化合物或组合物的存在。
因此，可将其他部件包括在光谱仪10内。示例性部件包括以下每一种中的至少一个：数据接口，用户接口、电源、照射源(例如灯)、电源管理控制器、逻辑控制器、连同其他部件如处理器、存储器、储能器(例如电池)和软件(即，存储在机器可读介质上的计算机可执行指令)。前述部件和如可以被认为适合用于该光谱仪10内的其他部件可以被包括并且可以使用通常可得的部件。
有利地，在此披露的光谱仪10可以被设置在紧凑封装内。更确切地说，光谱仪10可以被配置成“手持式”仪器。作为手持式仪器的光谱仪10的实现方式包括具有至少一个光源的实施例。然而，应当指出的是，光谱仪10不限于作为手持式仪器的实施方式。例如，此处的传授内容可以应用于其他形式的光谱仪，例如用于实验室设备，固定设备(如过程导向的设备)等。
现在参见图2，其是展示了用于采样30的示例性实施例的流程图。在该实施例中，使用阿达玛编码收集色散的波长。MEMS反射镜阵列21内的反射镜像素根据阿达玛矩阵产生数据。所测量的数据是不同波长的组合。然后可以将逆阿达玛变换应用到所测量的数据上以获取与样品相关联的光谱。
在详细描述该过程之前，认为阿达玛矩阵是方矩阵，其元素是+1或-1并且其行是相互正交的。几何学上，这意味着阿达玛矩阵的每两个不同的行表示两个垂直向量。组合地，这意味着每两个不同的行在它们的列的正好一半中具有匹配的元素并且在其余列中具有失配的元素。这些对应特性适用于这些列连同这些行。
对于给定的阿达玛矩阵，采样可以通过步进经过每一个列或每个码字(word)而发生。在第一步骤31中，根据所希望的阿达玛编码执行MEMS反射镜阵列21的致动。应指出在该实施例中，“1”表示可传输像素并且“-1”表示受阻挡像素。在第二步骤32中，根据所希望的阿达玛代码/编码执行像素数据的收集。重复第一步骤31和第二步骤32直到已经测量所有希望的阿达玛编码。在第三步骤33中，根据逆阿达玛变换而变换所组合的测量并且产生光谱特征。光谱特征可以包括，例如，拉曼光谱，其指示使用该光谱仪正在测试的样品。
可以使用阿达玛算法的不同实施例。由于通常许多反射镜像素由单一波长照射，这些反射镜阵列像素可以分组为波长像素。一个波长像素可以包含少至一个反射镜像素，反射镜像素的1xN分组，或MxN反射镜像素的分组，其中M和N是正整数。电子接口可以执行将反射镜像素分组为波长像素。这具有减小所用的阿达玛矩阵尺寸的优点。这些波长像素总体上可以定义为代表单调增加的波长系列，使得可以应用一维阿达玛算法。
通常，如在此使用的，“中阶梯光栅”包括多个具有接近于该衍射光波长的宽度的狭缝。相应地，在标准光栅内垂直入射的单一波长发光被衍射到中央零级次以及在特定的角度下的顺序的更高级次，由光栅密度/波长比率以及选定级次定义。更高级次之间的角距单调减小并且更高级次可以变得非常接近于彼此，而较低级次是良好地分离的。衍射图案的强度可以通过倾斜该光栅而改变。尤其是对于反射光栅(其中这些孔被高反射表面替代)，该反射部分可倾斜(闪耀)以将大部分的光散射到感兴趣的优选方向(特定衍射级)上。对于多个波长，同样如此。然而，有可能的是更高级次的较长波长可能与较短波长的下一个或多个级次重叠，这通常是不希望的副作用。
然而，在中阶梯光栅中，该行为是有意使用的并且将闪耀优化以用于多个重叠的更高级次。由于这种重叠不是直接有用的，可以插入第二、垂直安装的色散元件(光栅或棱镜或两者的组合)作为“级次分离器”或“交叉色散器”到光束路径中。因此，光谱由具有不同的、但稍微重叠的波长范围的条带组成，这些条带以倾斜图案跨越成像平面延伸。
当使用交叉-色散棱镜时，级次间距如所描述的变化。然而，当使用交叉-色散光栅时，该间距随着更低级次更靠近到一起而以相反方式变化。当使用光栅和棱镜的组合时，可以优化该间距使得最小间距更接近于最大间距。
应该认识到此处的传授内容仅仅是说明性的并且并非对本发明进行限制。此外，本领域的普通技术人员应认识到附加的部件，配置、安排等可实现，同时仍然在本发明的范围内。通常，光谱仪部件的设计和/或应用仅受限于系统设计者、制造商、操作员和/或用户的需要以及在任何特定情况下提出的要求。例如，尽管在此披露的实施例包括第二反射镜(反射镜B)和第二中阶梯光栅(光栅B)，如认为是适当的可使用附加的反射镜和光栅。因此，第二反射镜和第二中阶梯光栅中的至少一个能够以非限制性的方式称为，例如“另一个反射镜”和“另一个中阶梯光栅”(分别地)。
作为惯例，在此所用的一些术语的多个方面现在为了方便而呈现。应当理解下面的描述不是对术语的限制。
如在此讨论的，“识别”、“识别存在性”、“评估存在性”、“分析”或类似术语，包括定性评价(例如，该物质存在或不存在)以及定量评价(即，存在多少)的两者之中任一个或两者。“可以”指的是任选地。例如，如果本发明的任何实施例“可以具有特征X”，那么该实施例可以实际上包括特征X或不包括特征X。“或者”在本申请中是指一个亦或两个。例如，如果“A、B或C”可以被使用，这意味着它们中的任一个或它们中的两个或更多个的任何组合可以被使用。在此使用的一个“处理器”可以是任何硬件或硬件/软件的结合，其能够执行其要求的多个步骤。例如，一个处理器可能是适当地程控的微处理器或应用专用集成电路。例如，处理器可以包括适当编程的通用微处理器，或专用集成电路(“ASIC”)。在其中处理器可编程的情况下，该处理器仍可以不编程但仅能够加载所要求的程序，因此处理器可以完成所要求的任务。“光”指代在10纳米至1米波长范围内的任何电磁辐射，并且可以包括公认为紫外(10至400nm)、可见(400-700nm)、近红外和红外(700nm-15μm)、以及远红外(15-1000μm)和微波(1mm-1m)范围的多个范围。“路径长度”是指光从一个特征到另一个走过的路径长度，例如光束从入口至其在内部反射表面上第一次反射的路径长度、或光束从入口至出口的总路径长度。当提及任何量的一个范围时，该范围具体描述并明确包括在该范围内每个所包含的整个单位值或下一个小数位(例如，至少99％包括99.0％、99.1％、99.2％等，直至最高达100％)。
应当理解，本发明的任何实施例可以具有所引用的那些之外的特征。有时术语“至少”是用于关于特征的强调。然而，应理解的是甚至当不使用“至少”时，所引用特征的附加的数目或类型可以仍然存在。在本申请中引用的所有参考文献都通过引用全部结合在此。然而，在任何已结合的参考文献中的任何事物与在本申请中所规定的任何事物矛盾的情况下，以本申请为准。在本申请中所叙述的任何方法中事件的任何序列的顺序不限于所叙述的顺序。替代地，这些事件可以以任何顺序发生，包括逻辑上可行的同时。本发明的任何光谱仪可以是手持式的。在此上下文中“手持式”指代重量小于10kg、并且更典型地小于5、2或1kg，或甚至小于0.5或0.2kg，并且在每个尺寸上都可以具有小于50cm或30cm的尺寸，并且这些尺寸之一(厚度)甚至可能小于10cm或5或3cm的光谱仪仪器。“手持式”光谱仪经常是电池供电的，其中电池典型地装配在前述尺寸中并且包括在前述重量中，但单独的电源可以被提供并且被连接到光谱仪上(例如通过USB或其他线缆)。
各种其他部件可以被包括在内并且要求用于提供在此传授内容的多个方面。例如，额外的材料，材料的组合和/或材料的省略可以用来提供在此传授内容的范围内的附加的实施例。
当引入本发明的元素或其一个或多个实施例时，冠词“一个/种(a/an)”和“该”旨在表示存在这些元素中的一个或多个。类似地，形容词“另一个”当用于引入一个元素时，旨在是指一个或多个元素。术语“包括”和“具有”旨在是包容性的，使得可存在列出的元素以外的其他元素。
在本申请中描述了多个变量，包括但不限于部件、条件、和性能特征。应理解的是这些变量中任一项的任何组合可以定义本发明的实施例。例如，在特定操作条件范围下一组特定的部件的组合(如至少一个光栅、光学器件等)，但该特定组合可能未被明确地陈述，是本发明的实施例。物品、部件、条件、和/或方法的其他组合还可以特别选自在此列出的变量之中来限定其他实施例，如对本领域中普通技术人员将是清楚的。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员应当理解的是可以做出各种改变并且等效物可以代替其元素，而不脱离本发明的范围。此外，本领域的技术人员将理解许多修改是将特定仪器、条件或者材料适应于本发明的传授内容而不偏离本发明的实质范围。因此，所预期的是，本发明不受限于作为执行本发明而设想的最佳模式而披露的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (20)
1.一种光谱仪，包括：
准直元件，该准直元件被配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；
聚焦元件，该聚焦元件用于接收来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光并且将该光的波长聚焦到空间光调制器上；
该空间光调制器被配置成用于将这些波长选择性地引导到用于检测的检测器上。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其中该准直元件包括以下各项中的至少一项：透镜、菲涅耳透镜、反射镜和衍射元件。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其中该聚焦元件包括透镜和反射镜中的至少一项。
4.如权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少另一个色散元件用于将该光引导到该检测器中。
5.如权利要求1所述的光谱仪，其中该空间光调制器被配置成将这些波长反向引导穿过该交叉-色散元件和该中阶梯光栅到该检测器。
6.如权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个滤光器，该滤光器被配置成用于进行以下之一：使特定的波长组通过和使其反射。
7.如权利要求1所述的光谱仪，进一步包括以下各项中的至少一项：数据接口、用户接口、电源、照射源、电源管理控制器、逻辑控制器、处理器、存储器、储能器、和软件。
8.如权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个用户可调机构。
9.如权利要求8所述的光谱仪，其中该用户可调机构包括可调狭缝。
10.如权利要求1所述的光谱仪，其中该光谱仪表现出约900nm至约2500nm的检测范围，具有约0.5nm的像素分辨率。
11.一种用于进行样品的光谱分析的方法，该方法包括：
选择光谱仪，该光谱仪包括准直元件，该准直元件被配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；聚焦元件，该聚焦元件用于接收来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光并且将该光的波长聚焦到空间光调制器上；该空间光调制器被配置成用于将这些波长选择性地引导到用于检测的检测器上；
用该光谱仪检测来自样品的光；并且
分析该光以提供该光谱分析。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括用光源照射该样品。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括用另一个反射镜和透镜中的至少一者反射来自该空间光调制器的波长。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括用另一个中阶梯光栅和色散元件中的至少色散所反射的波长。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括过滤一组波长到该检测器内。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括使用该光谱仪进行该光谱分析以及远程地进行光谱分析中的至少一项。
17.如权利要求11所述的方法，还包括根据阿达玛代码将波长数据迭代组合。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括对所组合的波长数据应用阿达玛变换。
19.一种用于制造光谱仪的方法，该方法包括：
将准直元件配置成用于使光束准直到交叉-色散元件和中阶梯光栅中的第一者中，该光栅与该交叉-色散元件处于光连通；
将聚焦元件配置成用于将来自该交叉-色散元件和该中阶梯光栅中的第二者的光的波长聚焦到空间光调制器上，该空间光调制器将这些波长引导到用于检测的检测器上；并且
将该检测器安排成用于接收这些波长。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括将这些部件组装在壳体内，该壳体适合用于将该光谱仪提供为手持式光谱仪。
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